Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Контрольные задания по Химии / КОНТРОЛЬНОЕ_ЗАДАНИЕ .doc
Скачиваний:
38
Добавлен:
01.05.2014
Размер:
1.1 Mб
Скачать

Электродные потенциалы и электродвижущие силы*6

Если металлическую пластинку опустить в воду, то расположенные на ее поверхности катионы металла будут гидратироваться полярными молекулами воды и переходить, в жидкость. При этом электроны, в избытке остающиеся в металле, заряжают его поверхностный слой отрицательно, Возникает электростатическое притяжение между перешедшими в жидкость гидратированными катионами и поверхностью металла. В результате этого в системе устанавливается подвижное равновесие:

в растворе на металле

где п – число электронов, принимающих участие в процессе. На границе металл – жидкость возникает двойной электрический слой, характеризующийся определенным скачком потенциала – электродным потенциалом. Абсолютные значения электродных потенциалов измерить не удается. Электродные потенциалы зависят от целого факторов (природы металла, концентрации, температуры др.). Поэтому обычно определяют относительные электродные потенциалы в определенных условиях, которые называют стандартными электродными потенциалами (Е°).

Стандартным электродным потенциалом металла называют его электродный потенциал, возникающий при погружении металла в раствор собственного иона с концентрацией или активностью, равной 1 г-ион/л, измеренный по сравнению со стандартным водородным электродом, потенциал которого при 25°С условно принимается равным нулю (Е° = 0; G° = 0).

Располагая металлы в ряд по мере возрастания их стандартных электродных потенциалов (Е°), получаем так называемый «ряд напряжений».

Положение того или иного металла в ряду напряжений характеризует его восстановительную способность, а также окислительные свойства его ионов в водных растворах при стандартных условиях. Чем меньше значение Е°, тем большими восстановительными способностями обладает данный металл в виде простого вещества и тем меньше окислительные способности проявляют его ионы. И наоборот.

Таблица 4

Стандартные электродные потенциалы е° некоторых металлов (ряд напряжений)

Электрод

Е°, В

Электрод

Е°, В

Li+/L

–3,045

Cd2+/Cd

–0,403

Rb+/Rb

–2,925

Co2+/Co

–0,277

K+/K

–2,924

Ni2+/Ni

–0,25

Cs+/Cs

–2,923

Sn2+/Sn

–0,136

Ва2+/Ва

–2,90

Pb2+/Pb

–0,126

Са2+/Са

–2,87

Fe3+/Fe

–0,037

Na+/Na

–2,714

2H+/H2

–0,000

Mg2+/Mg

–2,37

Sb3+/Sb

+0,20

Al3+/А1

–1,70

Bi3+/Bi

+0,215

Ti2+/Ti

–1,603

Cu2+/Cu

+0,34

Zr4+/Zr

-1,58

Cu+/Cu

+0,52

Mn2+/Mn

V2+/V

Cr3+/Cr

Zn2+/Zn

Cr3+/Cr

Fe2+/Fe

-1,18 –1,18 –0,913 –0,763 –0,74 –0,44

Hg22+/2Hg

Ag+/Ag

Hg2+/Hg

Pt2+/Pt

Au3+/Au

Au+/Au

+0,79 +0,80 +0,85

+ 1,19

+ 1,50

+ 1,70

Электродные потенциалы измеряют в приборах, которые получили название гальванических элементов. Окислительно-восстановительная реакция, которая лежит в основе работы гальванического элемента, протекает в направлении, в котором э.д.с. элемента имеет положительное значение. В этом случае G0 < 0, так как G0 = nFE°.

Пример 1. Стандартный электродный потенциал никеля больше, чем у кобальта (см. табл. 4). Изменится ли это соотношение, если измерить потенциал никеля в растворе его ионов с концентрацией 0,001 г-ион/л, а кобальта – 0,1 г-ион/л?

Решение. Электродный потенциал металла (Е) зависит от концентрации его ионов в растворе. Эта зависимость выражается уравнением Нернста:

где Е° – стандартный электродный потенциал; n – число электронов, принимающих участие в процессе; С – концентрация (при точных вычислениях – активность) гидратированных ионов металла в растворе в г-ион/л. Е°  для никеля и кобальта соответственно равны —0,25 и—0,277В. Определим электродные потенциалы этих металлов при данных в условии концентрациях:

Таким образом, при изменившейся концентрации потенциал кобальта стал больше потенциала никеля.

Пример 2. Магниевую пластинку опустили в раствор era соли. При этом электродный потенциал магния оказался равен - 2,41В. Вычислите концентрацию ионов магния в г-ион/л.

Решение. Подобные задачи также решаются на основании уравнения Нернста (см. пример 1):

Пример 3. Составьте схему гальванического элемента, в котором электродами являются магниевая и цинковая пластинки, опущенные в растворы их ионов с активной концентрацией 1 г-ион/л. Какой металл является анодом, какой катодом? Напишите уравнение окислительно-восстано­вительной реакции, протекающей в этом гальваническом элементе, и вычислите его э.д.с.

Решение. Схема данного гальванического элемента:

()Mg|Mg2+||Zn2+|Zn(+)

Вертикальная черта обозначает поверхность раздела между металлом и раствором, а две черточки - границу раздела двух жидких фаз - пористую перегородку (или соединительную трубку, заполненную раствором электролита). Магний имеет меньший потенциал (—2,37 В) и является анодом, на котором протекает окислительный процесс:

Цинк потенциал которого -0,763 В, - катод, т. е. электрод на котором протекает восстановительный процесс:

(2)

Уравнение окислительно-восстановительной реакции, которая лежит в основе работы данного гальванического элемента, можно получить, сложив электронные уравнения анодного (1) и катодного (2) процессов.

Для определения электродвижущей силы - э.д.с. гальванического элемента из потенциала катода следует вычесть потенциал анода. Так как концентрация ионов в растворе равна 1 г-ион/л, то э.д.с. элемента равна разности стандартных потенциалов двух его электродов:

241. В два сосуда с голубым раствором медного купороса поместили: в первый цинковую пластинку, а во второй серебряную. В каком сосуде цвет раствора постепенно пропадает? Почему? Составьте электронные и молекулярное уравнения соответствующей реакции.

242. Увеличится, уменьшится или останется без изменения масса цинковой пластинки при взаимодействии ее с растворами: a) CuSO4, б) MgSO4, в) Pb(NO3)2. Почему? Составьте электронные и молекулярные уравнения соответствующих реакций.

243. При какой концентрации ионов Zn2+ (в г-ион/л)потенциал цинкового электрода будет на 0,015 В меньше его стандартного электродного потенциала. Ответ: 0,30 г-ион/л.

244. Увеличится, уменьшится или останется без изменения масса кадмиевой пластинки при взаимодействии ее с растворами: a) AgNO3, б) ZnSO4, в) NiSO4? Почему? Составьте электронные и молекулярные уравнения соответствующих реакций.

245. Марганцевый электрод в растворе его соли имеет потенциал —1,23 В. Вычислите концентрацию ионов Мn2+ в г-ион/л. Ответ: 1,89l0-2 г-ион/л.

246. Потенциал серебряного электрода в растворе AgNO3 оставил 95% от величины его стандартного электродного потенциала. Чему равна концентрация ионов Ag+ в г-ион/л? Ответ: 0,20 г-ион/л.

247. Никелевый и кобальтовый электроды опущены соответственно в растворы Ni(NO3)2 и Co(NO3)2. В каком соотношении должна быть концентрация ионов этих металлов чтобы потенциалы обоих электродов были одинаковыми Ответ: .

248. Составьте схемы двух гальванических элементов в одном из которых медь была бы катодом, а в другом - анодом. Напишите для каждого из этих элементов электронные уравнения реакций, протекающих на катоде и на анода

249. При какой концентрации ионов Сu2+ в г-ион/л значение потенциала медного электрода становится равным стандартному потенциалу водородного элемента? Ответ: 1,89-10-12 г-ион/л.

250. Какой гальванический элемент называется концетрационным. Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите э.д.с. гальванического элемента, состоящего из серебряных электродов опущенных первый в 0,01 н., а второй – в 0,1 н. растворы AgNО3. Ответ: 0,058 В.

251. При каком условии будет работать гальванический элемент, электроды которого сделаны из одного и того же металла? Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите э.д.с. гальванического элемента, в котором один никелевый электрод находится в 0,001 М растворе, а другой такой же электрод - в 0,01 М растворе сульфата никеля. Ответ: 0,029 В.

252. Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите э.д.с. гальванического элемента, состоящего из свинцовой и магниевой пластид опущенных в растворы своих солей с концентрацией [Рb2+]=|= [Mg2+] = 0,01 г-ион/л. Изменится ли э.д.с. этого элемента, если концентрацию каждого из ионов увеличить в одинаковое число раз? Ответ: 2,244 В.

253. Составьте схемы двух гальванических элементов в одном из которых никель является катодом, а в другом - анодом. Напишите для каждого из этих элементов электронные уравнения реакций, протекающих на катоде и аноде.

254. Железная и серебряная пластины соединены внешним проводником и погружены в раствор серной кислоты. Составьте схему данного гальванического элемента и напишите электронные уравнения процессов, происходящих на аноде и на катоде.

255. Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите э.д.с. гальванического элемента, состоящего из пластин кадмия и магния, опущенных в растворы своих солей с концентрацией [Mg2+] = [Cda+] = 1 г-ион/л. Изменится ли величина э.д.с., если концентрацию каждого из ионов понизить до 0,01 г-ион/л? Ответ: 1,967 В.

256. Составьте схему гальванического элемента, состоящего из пластин цинка и железа, погруженных в растворы их солей. Напишите электронные уравнения процессов, протекающих на аноде и на катоде. Какой концентрации надо было бы взять ионы железа (в г-ион/л), чтобы э.д.с. элемента стала равной нулю, если [Zn2+] = 0,001 г-ион/л? Ответ: 7,310-15 г-ион/л.

257. Составьте схему гальванического элемента, в основе которого лежит реакция, протекающая по уравнению

Ni + Pb (NO3)2 = Ni(NO3)2 + Pb

Напишите электронные уравнения анодного и катодного процессов. Вычислите э.д.с. этого элемента, если [Ni2+] = 0,01 г-ион/л, [Рb2+] = 0,0001 г-ион/л. Ответ: 0,066 В.

258. Какие химические процессы протекают на электродах при зарядке и разрядке свинцового аккумулятора?

259. Какие химические процессы протекают на электродах при зарядке и разрядке кадмий - никелевого аккумулятора?

260. Какие химические процессы протекают на электродах при зарядке и разрядке железо-никелевого аккумулятора?